DE102007004813B4 - Method for producing a piezoceramic multilayer actuator - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Vielschichtaktors.The present invention relates to a method for producing a piezoceramic multilayer actuator.
Basierend auf dem piezoelektrischen Effekt können sich piezoelektrische Keramiken geeigneter Kristallstruktur bei Erzeugen eines elektrischen Feldes in ihrem Inneren ausdehnen oder zusammen ziehen. Diese Längenänderung findet nahezu ohne Verzögerung bezogen auf das steuernde elektrische Signal statt und ist zudem genau regelbar. Daher werden piezoelektrische Vielschichtaktoren als Stellelemente eingesetzt.Based on the piezoelectric effect, piezoelectric ceramics of suitable crystal structure can expand or contract in their interior when an electric field is generated. This change in length takes place with almost no delay relative to the controlling electrical signal and is also precisely controllable. Therefore, piezoelectric multilayer actuators are used as adjusting elements.
Da die steuernde elektrische Feldstärke in solchen Vielschichtaktoren im Bereich von mehreren kV/mm liegt, aber moderate Ansteuer-Spannungen beim Einsatz der Vielschichtaktoren in der Praxis gewünscht sind, werden die piezokeramischen Vielschichtaktoren mit Schichtdicken im Bereich von 100 μm hergestellt. Typische Herstellungsverfahren sind das Schlickergießen oder Trockenpressen. Die einzelnen keramischen Schichten werden metallisiert und übereinander gestapelt, so dass zwischen zwei keramischen Schichten Innenelektroden entgegengesetzter Polarität den Piezoeffekt erzeugen können. Über eine Außenmetallisierung parallel zur Stapelrichtung bzw. Längsachse des piezokeramischen Vielschichtaktors werden wechselseitig alle Innenelektroden desselben elektrischen Potentials elektrisch angesteuert. Damit die Innenelektroden des jeweils entgegengesetzten elektrischen Potentials nicht kurzgeschlossen werden, sind diese im Bereich der Außenmetallisierung der Innenelektroden des jeweils entgegengesetzten Potentials versetzt in Bezug auf die anderen Elektroden angeordnet. Durch diesen Schichtaufbau innerhalb des piezokeramischen Vielschichtaktors entstehen Design bedingt piezoelektrisch inaktive Zonen. Da sich der piezokeramische Vielschichtaktor nur in piezoelektrischen aktiven Bereichen in seiner Länge ausdehnt oder zusammenzieht, da in diesen Bereichen die Innenelektroden unterschiedlicher Polarität direkt übereinander angeordnet sind, treten im Übergangsbereich zu piezoelektrisch inaktiven Zonen mechanische Spannungen innerhalb des Vielschichtaktors auf. Diese mechanischen Spannungen führten zu Rissbildung im Lagenaufbau des Vielschichtaktors, die den elektrischen Kontakt der Außenmetallisierung zu den einzelnen Elektroden beeinträchtigen oder sogar zum Totalausfall des Vielschichtaktors führen kann. Das Problem der Rissbildung wird durch den Einsatz vollaktiver piezoelektrischer Vielschichtaktoren reduziert. In diesen vollaktiven piezoelektrischen Vielschichtaktoren sind keine piezoelektrisch inaktiven bzw. passiven Bereiche vorhanden, weil sich die Innenelektroden beider elektrischer Potentiale über den gesamten Querschnitt des Vielschichtaktors allseitig bis zu dessen Rand erstrecken.Since the controlling electric field strength in such multilayer actuators is in the region of several kV / mm, but moderate drive voltages are required in practice when using the multilayer actuators, the piezoceramic multilayer actuators are produced with layer thicknesses in the range of 100 μm. Typical manufacturing processes are slip casting or dry pressing. The individual ceramic layers are metallized and stacked on top of each other so that internal electrodes of opposite polarity can produce the piezoelectric effect between two ceramic layers. About an outer metallization parallel to the stacking direction or longitudinal axis of the piezoceramic multilayer actuator mutually all internal electrodes of the same electrical potential are electrically driven. In order that the internal electrodes of the respectively opposite electrical potential are not short-circuited, they are arranged offset in relation to the other electrodes in the area of the external metallization of the internal electrodes of the respective opposite potential. This layer structure within the piezoceramic multilayer actuator results in design-induced piezoelectrically inactive zones. Since the piezoceramic multilayer actuator expands or contracts in length only in piezoelectric active regions, since the internal electrodes of different polarity are arranged directly above one another in these regions, mechanical stresses occur within the multilayer actuator in the transition region to piezoelectrically inactive zones. These mechanical stresses led to crack formation in the layer structure of the multilayer actuator, which can impair the electrical contact of the outer metallization to the individual electrodes or even lead to total failure of the multilayer actuator. The problem of cracking is reduced by the use of fully active piezoelectric multilayer actuators. In these fully active multilayer piezoelectric actuators no piezoelectrically inactive or passive regions are present, because the inner electrodes of both electrical potentials extend on all sides over the entire cross section of the multilayer actuator up to its edge.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen piezokeramischen Vielschichtaktor bereitzustellen, das mit geringerem Aufwand und daher auch mit geringeren Kosten verglichen zum Stand der Technik durchführbar ist.It is the object of the present invention to provide a manufacturing method for a piezoceramic multilayer actuator, which is feasible with less effort and therefore with lower costs compared to the prior art.
Die obige Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Patentansprüchen hervor.The above object is achieved by a manufacturing method according to
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weist die folgenden Schritte auf: Herstellen eines Vielschicht-Riegels als Grünkörper bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezokeramischer Schichten und einer Mehrzahl von Elektroden in einer Stapelrichtung des Vielschicht-Riegels, während eine Tiefe des Vielschicht-Riegels senkrecht zur Stapelrichtung einer Tiefe eines Vielschichtaktors und eine Breite des Vielschicht-Riegels senkrecht zur Stapelrichtung einer Breite einer Mehrzahl von Vielschichtaktoren entspricht und sich die Elektroden über die gesamte Tiefe des Vielschicht-Riegels erstrecken, so dass alle Seitenflächen der Elektroden jeweils bis an die Oberfläche von Breitseiten des Vielschicht-Riegels reichen, und wobei sich die Elektroden abwechselnd an gegenüberliegenden Stirnseiten des Vielschicht-Riegels beginnend über nicht die vollständige Breite des Vielschicht-Riegels erstrecken, Anordnen von gegenüberliegenden Hilfselektroden an den um die Breite des Vielschicht-Riegels erstrecken, Anordnen von gegenüberliegenden Hilfselektroden an den um die Breite des Vielschicht-Riegels beabstandeten Stirnseiten, so dass mit den gegenüberliegenden Hilfselektroden um eine Elektrode in Stapelrichtung versetzt jeweils jede zweite Elektrode elektrisch ansteuerbar ist, elektrochemisches Zurücksetzen parallel zur Tiefe des Vielschicht-Riegels, insbesondere Ätzen, einer Seitenfläche jeder zweiten Elektrode, so dass an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels jeweils jede zweite Seitenfläche der Elektrode in den Vielschicht-Riegel zurückgesetzt ist und die zurückgesetzten Seitenflächen der Elektroden an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels in Stapelrichtung um eine piezokeramische Schicht voneinander beabstandet sind, Beschichten der zurückgesetzten Seitenflächen der Elektroden mit einer elektrisch isolierenden Schicht und Aufbringen jeweils einer Mehrzahl von Außenelektroden an den gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels parallel zur Stapelrichtung, Sintern und Trennen des Vielschicht-Riegels parallel zu dessen Tiefen- und Stapelrichtung in eine Mehrzahl piezokeramischer Vielschichtaktoren, wobei nach dem Sintern die Stirnseiten mit den Hilfselektroden derart abgetrennt werden, dass keine piezoelektrisch inaktiven Bereiche im Vielschicht-Riegel zurückbleiben.The manufacturing method according to the invention comprises the following steps: producing a multi-layer bar as green body consisting of an alternating arrangement of a plurality of piezoceramic layers and a plurality of electrodes in a stacking direction of the multilayer bar, while a depth of the multilayer bar perpendicular to the stacking direction of a depth a multilayer actuator and a width of the multilayer bar perpendicular to the stacking direction corresponds to a width of a plurality of multilayer actuators and the electrodes extend over the entire depth of the multilayer bar, so that all side surfaces of the electrodes each up to the surface of broad sides of the multilayer bar range, and wherein the electrodes alternately extend on opposite end faces of the multilayer bar starting over not the full width of the multilayer bar, arranging opposite auxiliary electrodes to the around the porridge te of the multilayer bar, arranging opposing auxiliary electrodes at the spaced by the width of the multilayer bar end faces, so that with the opposite auxiliary electrodes around one electrode in the stacking direction each second electrode is electrically driven, electrochemical reset parallel to the depth of the multilayer -Riegel, in particular etching, a side surface of each second electrode, so that at opposite broad sides of the multilayer bar every other side surface of the electrode is set back into the multilayer bar and the recessed side surfaces of the electrodes on opposite broad sides of the multilayer bar in the stacking direction a piezoceramic layer are spaced from each other, coating the recessed side surfaces of the electrodes with an electrically insulating layer, and applying a plurality of external electrodes to the opposite one n broad sides of the multilayer bar parallel to the stacking direction, sintering and separating the multilayer bar parallel to its depth and stacking direction in a plurality of piezoceramic multilayer actuators, wherein after sintering the end faces are separated with the auxiliary electrodes such that no piezoelectrically inactive areas in the multilayer Stay behind.
Um den Herstellungsaufwand von voll-aktiven piezoelektrischen Vielschichtaktoren zu reduzieren, wird der größte Teil der Herstellungsschritte an einem Vielschicht-Riegel im Grünzustand vorgenommen. Dieser Riegel ist aufgrund seines noch nicht gesinterten keramischen Gefüges mit geringerem Aufwand und daher mit geringeren Kosten bearbeitbar. Zudem bietet der Vielschicht-Riegel mit Hilfselektroden an seinen um die Breite beabstandeten Stirnseiten die Möglichkeit, gleichzeitig eine Mehrzahl von piezoelektrischen Vielschichtaktoren herzustellen, indem der Vielschicht-Riegel am Ende des Herstellungsverfahrens in einzelne Vielschichtaktoren getrennt wird.In order to reduce the production cost of fully active piezoelectric multilayer actuators, most of the manufacturing steps are performed on a multi-layer bar in the green state. This bar is due to its not yet sintered ceramic structure with less effort and therefore editable at a lower cost. In addition, the multi-layer bar with auxiliary electrodes at its width-spaced end faces offers the possibility of simultaneously producing a plurality of piezoelectric multilayer actuators by separating the multilayer bar into individual multilayer actuators at the end of the manufacturing process.
Zur Herstellung strukturierter Elektroden an den Außenseiten des Vielschicht-Riegels werden zunächst die Seitenflächen jeder zweiten Elektrode durch Ätzen in den Vielschicht-Riegel zurückgesetzt bzw. hineinversetzt. Die sich ausbildenden Vertiefungen, in denen die Seitenflächen jeder zweiten Elektrode angeordnet sind, werden mit Schlicker eines nach dem Ausbrennen elektrisch isolierenden Materials gefüllt. Diese Materialien sind beispielsweise Glas oder Keramik. Basierend auf dem Ätzen und dem nachfolgenden elektrischen Isolieren durch Schlicker sind die Seitenflächen jeder zweiten elektrisch zu verbindenden Elektrode freiliegend außerhalb der Senken angeordnet, so dass sie beispielsweise durch Aufdrucken einer Außenmetallisierung elektrisch miteinander verbunden werden können.To produce structured electrodes on the outsides of the multilayer bar first reset the side surfaces of each second electrode by etching in the multilayer bar or put into it. The forming recesses, in which the side surfaces of each second electrode are arranged, are filled with slip of an electrically insulating material after burnout. These materials are for example glass or ceramic. Based on the etching and the subsequent electrical isolation by slurry, the side surfaces of each second electrode to be electrically connected are exposed outside the valleys, so that they can be electrically connected to each other, for example, by printing an outer metallization.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Herstellungsalternative kann anstelle des oben diskutierten elektrochemischen Zurücksetzens ein elektrochemisches Abscheiden von elektrisch leitendem Material auf jeweils einer Seitenfläche jeder zweiten Elektrode erfolgen, so dass an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels jeweils jede zweite Seitenfläche der Elektroden aus dem Vielschicht-Riegel hervorragt, die hervor ragenden Seitenflächen der Elektroden an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels in Stapelrichtung um eine piezokeramische Schicht voneinander beabstandet sind und zwischen den hervor ragenden Seitenflächen der Elektroden Senken ausgebildet sind.According to a production alternative not according to the invention, instead of the electrochemical reset discussed above, an electrochemical deposition of electrically conductive material may take place on one side surface of each second electrode so that each second side surface of the electrodes protrudes from the multilayer latch at opposite broad sides of the multilayer bar, the protruding side surfaces of the electrodes on opposite broad sides of the multilayer bar in the stacking direction about a piezoceramic layer are spaced from each other and formed between the protruding side surfaces of the electrode depressions.
In gleicher Weise, wie es oben beschrieben worden ist, werden diese Senken mit einem Schlicker aus nach dem Ausbrennen elektrisch isolierendem Material gefüllt. Daher liegen nur noch die durch elektrochemisches Abscheiden erhöhten Seitenflächen der Elektroden des Vielschicht-Riegels an dessen Breitseiten frei. Auch bei diesem Verfahrensweg werden die Vorteile der erleichterten Bearbeitung eines Vielschicht-Riegels im Grünzustand sowie die gleichzeitige Herstellung einer Mehrzahl von Vielschichtaktoren mit Hilfe dieses Vielschicht-Riegels genutzt. Des Weiteren wirkt sich vorteilhaft aus, dass die in Senken angeordneten Seitenflächen der elektrisch zu isolierenden Elektroden durch Schlicker effektiv isolierbar sind. Zudem erfolgt das Ausbrennen des Schlickers beispielsweise in Kombination mit dem Sintern des Vielschicht-Riegels erfolgt, um eine weitere Optimierung des Herstellungsverfahrens zu erzielen.In the same way as described above, these depressions are filled with a slip of electrically-insulating material after burning out. Therefore, only the increased by electrochemical deposition side surfaces of the electrodes of the multilayer bar are free on its broad sides. In this method, too, the advantages of easier processing of a multi-layer bar in the green state and the simultaneous production of a plurality of multilayer actuators with the aid of this multilayer bar are utilized. Furthermore, it has an advantageous effect that the side surfaces of the electrodes to be electrically insulated which are arranged in depressions can be effectively insulated by means of slip. In addition, the burnout of the slurry takes place, for example, in combination with the sintering of the multilayer bar in order to achieve a further optimization of the production process.
Gemäß einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen Alternative des Herstellungsverfahrens für einen piezokeramischen Vielschichtaktor werden die folgenden Schritte durchgeführt: Herstellen eines Vielschicht-Riegels als Grünkörper bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezokeramischer Schichten und einer Mehrzahl von Elektroden in einer Stapelrichtung des Vielschicht-Riegels, während eine Tiefe des Vielschicht-Riegels senkrecht zur Stapelrichtung einer Tiefe eines Vielschichtaktors und eine Breite des Vielschicht-Riegels senkrecht zur Stapelrichtung einer Breite einer Mehrzahl von Vielschichtaktoren entspricht und sich die Elektroden über die gesamte Tiefe und Breite des Vielschicht-Riegels erstrecken, oder Herstellen eines piezoelektrisch vollaktiven Stacks bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezokeramischer Schichten und einer Mehrzahl von Elektroden in einer Stapelrichtung, Abtragen jeweils einer Seitenfläche jeder zweiten Elektrode parallel zur Tiefenrichtung des Vielschicht-Riegels mittels Sägen, Schleifen, Lasern, Erodieren und/oder Stoßen, so dass an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels jeweils jede zweite Seitenfläche der Elektroden in den Vielschicht-Riegel zurückgesetzt ist und die zurückgesetzten Seitenflächen der Elektroden an gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels in Stapelrichtung um eine piezokeramische Schicht voneinander beabstandet sind, Beschichten der zurückgesetzten Seitenflächen der Elektroden mit einer elektrisch isolierenden Schicht und Aufbringen jeweils einer Mehrzahl von Außenelektroden an den gegenüberliegenden Breitseiten des Vielschicht-Riegels parallel zur Stapelrichtung, Sintern und Trennen des Vielschicht-Riegels parallel zu dessen Tiefen- und Stapelrichtung in eine Mehrzahl piezokeramischer Vielschichtaktoren.According to a further non-inventive alternative of the manufacturing method for a piezoceramic multilayer actuator, the following steps are carried out: producing a multi-layer bar as a green body consisting of an alternating arrangement of a plurality of piezoceramic layers and a plurality of electrodes in a stacking direction of the multilayer bar while a Depth of the multilayer bar perpendicular to the stacking direction of a depth of a multilayer actuator and a width of the multilayer bar perpendicular to the stacking direction corresponds to a width of a plurality of multilayer actuators and the electrodes extend over the entire depth and width of the multilayer bar, or producing a piezoelectrically fully active Stacks consisting of an alternating arrangement of a plurality of piezoceramic layers and a plurality of electrodes in a stacking direction, removing a respective side surface of each second electrode parallel to the depth direction of the multi-layer bar by means of sawing, grinding, laser, erosion and / or pushing, so that at opposite broad sides of the multilayer bar each second side surface of the electrodes is set back into the multilayer bar and the recessed side surfaces of the electrodes at opposite Broad sides of the multilayer bar in the stacking direction are spaced apart around a piezoceramic layer, coating the recessed side surfaces of the electrodes with an electrically insulating layer and applying a plurality of outer electrodes on the opposite broad sides of the multilayer bar parallel to the stacking direction, sintering and separating the multilayer Parallel to its depth and stacking direction in a plurality of piezoceramic multilayer actuators.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Um den piezokeramischen Vielschichtaktor herzustellen, werden zunächst piezokeramische Grünfolien gegossen. Nachfolgend werden die Grünfolien mit Elektrodenmaterial bedruckt, das beispielsweise aus Silber-Palladium-Legierungen besteht. Diese Flächen bilden die späteren Innenelektroden
Nach dem Stapeln der Grünfolien liegen diese als Block vor, d. h. Breite und Tiefe des Blocks sind jeweils ein Vielfaches der Tiefe und Breite eines späteren Vielschichtaktors. Im Grünzustand ist der Block ausreichend beständig, um chemisch, mechanisch oder auf andere Weise bearbeitet zu werden. Zudem ist das Gefüge des Blocks weniger widerstandsfähig als im gesinterten Zustand, so dass eine Bearbeitung des Blocks mit geringerem Aufwand durchführbar ist.After stacking the green sheets, these are present as a block, d. H. The width and depth of the block are each a multiple of the depth and width of a later multilayer actuator. In the green state, the block is sufficiently stable to be processed chemically, mechanically or otherwise. In addition, the structure of the block is less resistant than in the sintered state, so that a machining of the block with less effort is feasible.
Der Block (nicht gezeigt) im Grünzustand wird in eine Mehrzahl von Vielschicht-Riegeln
Gemäß einer Ausführungsform (vgl.
Der Vielschicht-Riegel
Nachdem der Vielschicht-Riegel
Mit Hilfe des in
Das Galvanisierbad enthält den Elektrolyten
Die beschichteten Seitenflächen
Gemäß einer erfindungsgemäßen Herstellungsalternative wird eine ähnliche Senken-Struktur wie in
Um nun unabhängig von den vorangegangenen Herstellungsschritten jede zweite Elektrode
Es ist ebenfalls bevorzugt, den Vielschicht-Riegel
Vor dem Sintern S8 werden in den Bereichen, die nach dem Zerteilen des Vielschicht-Riegels
Gemäß einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen, Herstellungsalternative wird die oben beschriebene Senken-Struktur durch Abtragen S5 der Seitenflächen
In dem Vielschicht-Riegel
Der obige Vorgang wird an beiden Breitseiten
Gemäß einer weiteren Alternative ist die Abtragsrichtung
Nach Erzeugen der Senken-Struktur an beiden Breitseiten
Es ist ebenfalls denkbar, den Vielschicht-Riegel
Gemäß einer Alternative wird das Abtragen nicht an einem Vielschicht-Riegel, sondern bereits an einem Stack (nicht gezeigt) des späteren Vielschichtaktors durchgeführt. Liegt der Stack im Grünzustand vor, wird die thermische Behandlung des Schlickers in der durch Abtragen erzeugten Senkenstruktur mit dem Sintern des Stacks verknüpft. Liegt der Stack im gesinterten Zustand vor, wird nach dem Abtragen und Aufbringen des Schlickers in der Senkenstruktur eine thermische Behandlung zum Aushärten des Schlickers durchgeführt.According to an alternative, the removal is not performed on a multilayer bar, but already on a stack (not shown) of the future multilayer actuator. If the stack is in the green state, the thermal treatment of the slurry in the sink structure created by the removal is linked to the sintering of the stack. If the stack is in the sintered state, a thermal treatment for curing the slurry is carried out after the removal and application of the slurry in the sink structure.
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